高性能船用等离子切割电源研究.pdf

Vo1.32No.102012.10
船史故术控制技术
高性能船用等离子切割电源研究
王云那剑夏华东2
(1.中国舰船研究设计中心,武汉430064:2.武汉南华工业设备工程有限责任公司,武汉430223)
摘要:本文提出了一种逆变式全数字化等离子切割电源方案,分析了该主电路中三相电压型PWM整流器
和移相全桥DC-DC变换器的特点、给出了相应控制策略。设计了一台10kW等离子切割电源,实验结果表
明电源稳定可靠、性能优良,验证了本文提出的方案可行,可满足等离子切割电源的性能指标要求。
关键词:逆変式数字化PWM整流器移相全桥DC-DC変换器
中图分类号:TP27
文献标识码:A
文章编号:1003-4862(2012)10-0001-04
Study on Marine Plasma Cutting Power Supply with High Performance
Wang Yunhe Xing Jian, Xia Huadong
(1. hina Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; Wuhan Nanhua Industrial Equipment Engineering
Co Ltd, Wuhan 430223, China)
Abstract: An inverted full digitalization plasma cutting power supply plan is put forward, the
characteristics of PWM rectifier with three-phase voltage and phase-shift full bridge DC-DC converter in
the main circuit are analyzed, the corresponding control strategy is presented, and a 10 kw plasma cutting
power supply is designed. The experimental results show that the power supply is stable and reliable with
high performance, and verifies that the plan is feasible to satisfy the performance index requirements Qj
plasma cutting power supply
Keywords: inverted; digitalization; PWM rectifier: phase-shift full bridge DC-DC converter
0引言
A,大大提高了切割能力4。
随着国内船舶行业的飞速发展,船舶对高性
伴随着电力电子技术和器件的发展,采用能等离子切割机的需求越来越迫切,国内船用等
MOSFET、IGBT全控型电力电子开关器件和高频离子切割电源产品报道很少。为了满足国内船舶
PWM技术已成新“一代等离子切割电源的首选方的需求,本文提出了一种逆变式等离子切割电源
案。目前应用全控型电力电子开关器件的焊割逆方案,该切割电源采用三相高频整流降低电源对
变器功率可达数十千瓦,有着广泛的应用前景,电网品质的影响,利用移相全桥DC-DC变换器
已成为当前国际焊接电源设备发展的主流和方向实现高效率和高功率密度的逆变式切割电源。设
。目前,国外已相继推出全数字化等离子弧焊计了一台10kW等离子切割电源,进行了相关实
接、切割逆变电源。如松下的 TIG Star-300BM1验验证。
和 TIG Star-300BZ1已经实现了许多新型焊接工
艺方法,实现了全数字化焊切机的商品化。美国1高性能等离子切割电源主电路
海宝公司的HPR260可以无挂渣切割碳钢0.5~1.1主电路
32mm,边缘起弧切割可至64mm,其全数字化
等离子切割电源主电路如图1所示。主电路
等离子弧切割逆变电源已经做到了切割电流200由AC-DC整流器和DC-DC变换器构成。
AC-DC整流器常用拓扑结构有不控整流、相
收稿日期:2012-07-10
控整流,这两种拓扑缺点是输入电流畸变率大,
作者筒介:王云鹌(1975-)?男,士,高级工程师。功率因数小,尤法满足船舶对设备电磁兼容性要
研究方向;舰船电力系统及设备。
万方数据
电故木控制技术
Vo1.32No.102012.10
求,为此,AC-DC整流器采用高频PWM整流器,和相位,就可以获得所需大小和相位的输入电流
根据等离子切割电源的特点,选用如图1所示的?。如图'1所示的三相电压型PWM整流器理论
具有能量回馈功能的三相电压型PWM整流器。上可以实现输出电流和电压完全同步,输入电流
抛开整流器的输入电感,整流器的主电路和逆变波形为理想正弦,输入側功率因数接近为1,可
器是一样的。稳态工作时,输出直流电压不变,满足船舶电磁兼容性传导要求和功率因数要求。
开关管按正弦规律脉宽调制,整流器交流側的输
DC-DC变换器采用移相全桥拓扑结构。移相
出电压和逆变器相同。忽略整流器输岀交流电压全桥变换电路实现了后级电路与电网的隔离,保
的谐波,变换器可以看作是可控正弦三相电压源。证了切割操作的安全,并利用电路本身的寄生参
它和正弦的电网电压共同作用于输入电感,产生数很方便实现了软开关技术,变换器效率高,满
正弦电流波形。适当控制整流器输出电压的幅值足大功率切割电源的输出要求习
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抗干扰电路
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图1高性能等离子切割电源主电路拓扑图
22SD106A驱动模块
制,设定交流侧电流无功分量指令值*为零,将
具有能量回馈功能的三相电压型PWM整流*、*与交流侧电流有功分量a无功分量的比
器和移相全桥DCDC变换器均采用IGBT开关器较值送入电流PI控制器,电流控制器输出值经过
件。等离子切割电源电流大,工况切换复杂,频解耦后得到三相交流侧电压在两相同步旋转坐标
繁在空载和满载间切换,干扰非常大,1GBT驱系下的控制信号与,再由两相同步旋转坐
动对电源的可靠性至关重要。针对此特点,选用标系向两相静止坐标系转换后得到控制信号Ⅳ
瑞士 CONCEPT公司的2SD106A模块为核心,与V,经过空间电压矢量调制后输出六路驱动脉
设计了一种IGBT驱动电路方案,驱动电路如图冲,进而实现了对三相电压型高频PWM整流器
2所示。2SD106A隔离电压高达4000V,具有的控制。
IGBT过流和短路保护功能,只需一路电源供电,
基于移相全桥DC-DC变换器的逆变式焊接
可同时对两个1GBT开关管进行驱动,驱动电流的输出电流控制框图如图4所示。为了实现空载
高达6A。抗干扰能力强,能承受10000V电压和负载电流状态的快速切换,并保证稳态跟
s,dhat/dt干扰
踪给定无误差,本文引入一种带指令电流前馈的
2高性能等离子切割电源的控制策略
双闭环控制系统,其电压电流环都采用PI控制
器。图中Gi(s)和G(s)分别表示电流和电压调节
高频PWM整流环节的控制对象是直流侧电器,g为前馈系数,K1和K分别表示电流和电
压与交流侧电流。PWM整流器交流侧电流的动压检测环节的比例系数,和分别